(57)【要約】      （修正有）【課題】反応ガスのショートカット及びフラッディングを確実に抑制し、ＭＥＡ全体に均一に供給することができ、安定した運転が容易かつ十分にできる燃料電池を実現し得るセパレータを提供する。【解決手段】第２の面（内壁面）２０ｂを有しかつ重力方向と交わる部分流路２２ａを含むガス流路２２と、部分流路を隔てる第１の面からなるリブ部と、をアノード又はカソードに接触する面に有するセパレータにおいて、第１の面の親水性２００を第２の面の親水性よりも高くし、かつ第１の面の重力方向下側２０１において第２の面が第１の面に隣接する第１の部分及び第１の面の重力方向上側２０２において第２の面が第１の面に隣接する第２の部分のうちの少なくとも一方の親水性を第２の面の親水性よりも高くする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟むアノード及びカソードを含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対のセパレータとを含む燃料電池に用いられるセパレータであって、
前記セパレータは、前記アノード又は前記カソードに接触する面に設けられた、重力方向と交わる複数の部分流路を含むガス流路と、前記部分流路同士を隔てるリブ部と、を有し、
前記リブ部は、前記アノード又は前記カソードに接触する第１の面を有し、
前記部分流路は、当該部分流路の内壁面を構成する第２の面を有し、
前記第１の面の親水性（Ａ1）が、前記第２の面の親水性（Ｂ）よりも高く、かつ
前記第１の面の重力方向下側において前記第２の面が前記第１の面に隣接する第１の部分及び前記第１の面の重力方向上側において前記第２の面が前記第１の面に隣接する第２の部分のうちの少なくとも一方の親水性（Ａ2）が、前記第２の面の親水性（Ｂ）よりも高いこと、
を特徴とするセパレータ。
【請求項２】
前記第１の面の親水性（Ａ1）が、前記第２の面の親水性（Ｂ）よりも高く、かつ
前記第１の面の重力方向下側において前記第２の面が前記第１の面に隣接する第１の部分及び前記第１の面の重力方向上側において前記第２の面が前記第１の面に隣接する第２の部分の親水性（Ａ2）が、前記第２の面の親水性（Ｂ）よりも高いこと、
を特徴とする請求項１に記載のセパレータ。
【請求項３】
前記ガス流路は、ガスを略直進させる略直線状のメイン流路部と、前記メイン流路部を略直進する前記ガスをターンさせるターン部と、を有するサーペンタイン構造を有し、
前記メイン流路部は、前記部分流路を含むこと、
を特徴とする請求項１又は２に記載のセパレータ。
【請求項４】
前記第１の面の親水性は、重力方向における前記リブ部の中心から、前記ガス流路側にかけて低下するように傾斜していること、
を特徴とする請求項１〜３のうちのいずれかに記載のセパレータ。
【請求項５】
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟むアノード及びカソードを含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対のセパレータとを含み、
前記一対のセパレータのうちの少なくとも一方が、請求項１〜４のうちのいずれかに記載のセパレータであること、
を特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池用セパレータ及び燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質型燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸化ガスをガス拡散電極によって電気化学的に反応させて、電気と熱とを同時に発生させるものである。図８は、従来の高分子電解質型燃料電池の構成を示す概略断面図である。この高分子電解質燃料電池１１１は、基本的には陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜１０１、及び高分子電解質膜１０１の両面に配置された一対の電極（アノード又はカソード）１０４からなる。電極１０４は、電極触媒（例えば白金金属など）を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層１０２と、触媒層１０２の外面に形成され通気性及び導電性を兼ね備えたガス拡散層１０３とからなる。
【０００３】
高分子電解質膜１０１及び電極１０４で構成される膜電極接合体（ＭＥＡ）１１０の外側には、当該ＭＥＡを機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡ１１０を互いに電気的に直列に接続し、さらに電極１０４に燃料ガス又は酸化剤ガス（反応ガス）を供給し、かつ反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路１２２、１３２を有する板状のセパレータ１２０、１３０が配置される。また、燃料ガスや酸化剤ガスが電池外にリークしたり、互いに混合したりしないように、電極１０４の周囲には高分子電解質膜１０１を挟んでガスシール材１０６が配置され、さらには冷却水が電池外にリークしないように、Ｏリング１２４、１２５も配置される。
【０００４】
それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが流れるガス流路１２２、１３２は、セパレータ１２０、１３０と別に設けることもできるが、図８に示すように、セパレータ１２０、１３０の表面に溝を設けてガス流路１２２とする方式が一般的である。そして、セパレータ１２０、１３０の他方の面には、電池温度を一定に保つための冷却水を循環させる冷却水の流路１２３、１３３が設けられる。冷却水を循環させることにより、反応により発生した熱エネルギーは、温水などの形で利用することができる。
【０００５】
セパレータ１２０、１３０は高い導電性を有し、かつ燃料ガスに対して高いガス気密性を有し、さらに燃料ガス及び酸化剤ガスの酸化還元反応に対して高い耐食性を有する必要がある。このような理由から、従来のセパレータ１２０、１３０は、通常グラッシーカーボン又は膨張黒鉛などのカーボン材料で構成されるのが一般的である。また、ガス流路１２２、１３２及び冷却水の流路１２３、１３３は、セパレータ１２０、１３０の表面を切削したり、セパレータ１２０、１３０の成型時に型によって形成したりする方法が用いられてきた。
【０００６】
上記のような従来の燃料電池１１１においては、電池反応によって生成する水がセパレータ板１２０、１３０のガス流路１２２、１３２に滞留しやすく、触媒層１０２において生成された水や結露した水（生成水）の量が甚だしい場合は完全にガス流路１２２、１３２を塞いでしまう。これをフラッディング現象という。フラッディング現象は、生成水によるものだけでなく、供給ガスが過剰に加湿されている場合にも発生し得る。そして、いったんフラッディング現象が発生すると、その部分にはガスが流れなくなり、電池性能が急激に低下して、電池として機能しなくなる可能性がある。
【０００７】
更に、例えば燃料ガスがガス流路１２２内を通らず、ガス流路１２２を隔てるリブ部を超えて、隣接するガス流路１２２に流れるショートカットが発生し、当該ショートカットによって燃料ガスが十分に利用されず、電池性能が低下してしまうという問題もある。このショートカットは、酸化剤ガスが流れるガス流路１３２においても起こる問題である。このショートカットをアノード側に代表させて図面を参照しながらより詳細に説明する。
【０００８】
図９は、図８におけるアノード側のセパレータ１２０のガス流路１２２側からみた正面図である。図９に示すように、ガス流路１２２が例えば直線部１２２ｐと隣接する直線部１２２ｐを接続するターン部１２２ｑとを具備するサーペンタイン形状を有する場合、矢印Ｐで示すようにガス流路１２２中を燃料ガスが上流側から下流側へと流れるが、隣接するガス流路１２２の圧力に差が生じる。そのため、燃料ガスのシールが不十分であると、矢印Ｑで示すように、ガス流路１２２の直線部１２２ｐ間を隔てるリブ部（図示せず）を越えて燃料ガスが隣接するガス流路１２２にショートカットしてしまい、ターン部１２２ｑに供給される燃料ガス量が減る。したがって、ＭＥＡ１１０の電極１０４の全面に均一に燃料ガスを供給することができず、電池性能が低下してしまう。
【０００９】
なお、図９に示すセパレータ１２０は、燃料ガス供給用マニホールド孔１２０ｐ及び燃料ガス排出用マニホールド孔１２０ｑを有し、さらに、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１３０ｐ、酸化剤ガス排出用マニホールド孔１３０ｑ、冷却水供給用マニホールド孔１３３ｐ及び冷却水排出用マニホールド孔１３３ｑを有する。
【００１０】
これに対し、特許文献１においては、特に反応ガス流路内における水の滞留の抑制を意図して、セパレータの表面の一部に親水処理を施す方法が提案されている。具体的には、図１０に示すように、セパレータ１２２のガス拡散層に接する面１２６の一部とガス流路１２２の内面に親水処理を施して親水処理部１２０ａを設けることにより、生成水がガス拡散層を通ることなく、かつ親水処理領域を経てガス流路１２２内に滞留せずに排出されることが提案されている。図１０は、従来のセパレータの断面構造を示す概略断面図である。
【００１１】
さらに、特許文献２においては、上述のような反応ガスのショートカットを防止することを意図して、セパレータとＭＥＡを組み立てたときにガス拡散層を変形させ、反応ガスをシールしたい部分のガス拡散層の多孔度を低下させることが提案されている。
【特許文献１】特開２００５−１１６１７９号公報
【特許文献２】特開２００４−８７４９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記特許文献１において提案された技術によっても、フラッディング及びショートカットの問題を十分には解決することができず、未だ改善の余地があった。また、上記特許文献２が提案するようにガス拡散層の多孔度を低下させる場合、ガス拡散層の表面に、傷又は工法上の公差などに起因する凹凸が存在すると、組み立てによる変形後に十分なガスシール性能を得られないことがある。
【００１３】
そこで、本発明は、以上の観点に鑑みてなされたものであり、ガス流路における反応ガスのショートカット及びフラッディングをより確実に抑制し、反応ガスをＭＥＡ全体により確実に均一に供給することができ、安定した運転が容易かつ十分にできる燃料電池を実現し得る燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。また、本発明は、反応ガスをＭＥＡ全体により確実に均一に供給することができ、安定した運転が容易かつ十分にできる燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決すべく、本発明は、
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟むアノード及びカソードを含む膜電極接合体と、膜電極接合体を挟む一対のセパレータとを含む燃料電池に用いられるセパレータであって、
セパレータは、アノード又はカソードに接触する面に設けられた、重力方向と交わる複数の部分流路を含むガス流路と、部分流路同士を隔てるリブ部と、を有し、
リブ部は、アノード又はカソードに接触する第１の面を有し、
部分流路は、当該部分流路の内壁面を構成する第２の面を有し、
第１の面の親水性（Ａ1）が、第２の面の親水性（Ｂ）よりも高く、かつ
第１の面の重力方向下側において第２の面が第１の面に隣接する第１の部分及び第１の面の重力方向上側において第２の面が第１の面に隣接する第２の部分のうちの少なくとも一方の親水性（Ａ2）が、第２の面の親水性（Ｂ）よりも高いこと、
を特徴とするセパレータを提供する。
【００１５】
このような構成によれば、セパレータの表面に親水性の異なる部分を設け、反応ガスがショートカットする部分に生成水を意図的に滞留させることで、ガスシール性をより確実に発揮させることができる。すなわち、生成水が、親水性の低い部分から高い部分へと移動する性質を利用して、反応ガスがショートカットする部分に生成水を意図的に存在させ、当該ショートカットをより確実に抑制することができる。
【００１６】
より具体的には、処理前のセパレータの表面の親水性が低い場合に、アノード又はカソードと接触するセパレータのうちのリブ部からなる第１の面に親水処理を施しても、ガス流路の内壁面からなる第２の面全ての親水性が略均一であると、ガス流路内を通る水は幾分か滞留し、より確実にガス流路管外に出ることができない。そこで、本実施形態においては、ガス流路の内壁面からなる第２の面のうちの、アノード又はカソードと接する第１の面に隣接する部分（すなわち第１の面の重力方向下側において第２の面が第１の面に隣接する第１の部分、及び第１の面の重力方向上側において第２の面が第１の面に隣接する第２の部分）にまで親水性の高い領域を広げることにより、ガス流路内を流れる水が親水性の高い部分で液膜状となって、当該水がアノード又はカソードとセパレータとの接触面に入ることが可能となる。このようにして、セパレータとアノード又はカソードとの間に入った水は、毛管現象の効果も相俟って、容易に排出されることはない。
【００１７】
また、上記のような親水性の高い領域がガス流路の内壁面全てに存在すると、ガス流路内を通る水の量が多くなった場合、フラッディングが引き起こされることになるが、上述のように、ガス流路内に、水詰まりを防ぐための親水性が低い領域と、水を目的の領域に送り込むための親水性が高い領域と、の両方を設けることにより、上記フラッディングをより確実に抑制することができる。
【００１８】
したがって、上記構成を有する本発明のセパレータは、燃料電池に用いれば、フラッディングをより確実に抑制することができるとともに、セパレータのうちのアノード又はカソードと接触する部分に水を積極的に滞留させることができ、このように滞留した水によって、隣接するガス流路間をショートカットする反応ガスをより確実にシールすることができる。すなわち、本発明によれば、ガス流路における反応ガスのショートカット及びフラッディングをより確実に抑制し、反応ガスをＭＥＡ全体により確実に均一に供給することができ、安定した運転が容易かつ十分にできる燃料電池を実現し得る燃料電池用セパレータを提供することができる。
【００１９】
また、本発明は、
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟むアノード及びカソードを含む膜電極接合体と、膜電極接合体を挟む一対のセパレータとを含み、
一対のセパレータのうちの少なくとも一方が、上記の本発明のセパレータであること、
を特徴とする燃料電池を提供する。
【００２０】
本発明の燃料電池では、先に述べたセパレータを用いているため、ＭＥＡのうちのアノード又はカソードの触媒層全体に反応ガスを安定して供給することが可能となり、フラッディングをより確実に抑制することができる。特に、セパレータの表面の親水性が高い部分を限定することで、水がガス流路を閉塞することをより確実に抑制することができる。すなわち、本発明によれば、反応ガスをＭＥＡ全体により確実に均一に供給することができ、安定した運転が容易かつ十分にできる燃料電池を提供することができる。
なお、本明細書において、反応ガスとは燃料ガス及び酸化剤ガスを含む。
【発明の効果】
【００２１】
以上のように、本発明によれば、ガス流路における反応ガスのショートカット及びフラッディングをより確実に抑制し、反応ガスをＭＥＡ全体により確実に均一に供給することができ、安定した運転が可能な燃料電池を実現し得る燃料電池用セパレータを提供することができる。また、本発明によれば、反応ガスをＭＥＡ全体により確実に均一に供給することができ、安定した運転が容易かつ十分にできる燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下の説明では、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。
【００２３】
［第一実施形態］
図１は、本発明の燃料電池の第一実施形態の基本構成を示す概略断面図である。まず、本実施形態の燃料電池１００の構成について説明する。図１に示す燃料電池１００は、基本的には陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜１、及び高分子電解質膜１の両面に配置された一対の電極（アノード及びカソード）４からなる。電極４は、電極触媒（例えば白金金属など）を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層２と、触媒層２の外面に形成され通気性及び導電性を兼ね備えたガス拡散層３とからなる。
【００２４】
上記の高分子電解質膜１及び電極４で構成される膜電極接合体（ＭＥＡ）１０の外側には、当該ＭＥＡを機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡ１０を互いに電気的に直列に接続し、さらに電極４に燃料ガス又は酸化剤ガス（反応ガス）を供給し、かつ反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路を有する板状のセパレータ２０、３０が配置された構成を有している。
【００２５】
また、燃料ガスや酸化剤ガスが電池外にリークしたり、互いに混合したりしないように、電極４の周囲には高分子電解質膜１を挟んでガスシール材６が配置され、さらには冷却水が電池外にリークしないように、Ｏリング２４、２５が配置された構成を有している。このように構成されたＭＥＡ１０の複数個を、セパレータ板を介して交互に積層して燃料電池１００のセルスタックが構成されている。
【００２６】
ガス拡散層３を構成する材料としては、特に限定されることなく、当該分野で公知のものを使用することができる。例えばカーボンクロスやカーボンペーパーなどの導電性多孔質基材を用いることができる。また、触媒層２は、貴金属からなる電極触媒を担持した導電性炭素粒子と、陽イオン（水素イオン）伝導性を有する高分子電解質と、を含む。
【００２７】
本発明の燃料電池は、上述したように、主として、セパレータ２０、３０のガス流路２２、３２に特徴を有する。ガス流路２２、３２の表面には溝を設けてガス流路２２、３２が形成されている。また、セパレータ２０、３０の他方の面には、電池温度を一定に保つための冷却水を循環させる冷却水の流路２３、３３が設けられる。ここに冷却水を循環させることにより、反応により発生した熱エネルギーは、温水などの形で利用することができる。
【００２８】
本発明の燃料電池１００におけるセパレータは、アノード側セパレータ２０とカソード側セパレータ３０とを含み、両者間に冷却水の流路が形成されている。アノード側セパレータ２０は、アノードと対向する面に、アノードへ燃料ガスを供給する燃料ガスのガス流路２２を有し、反対側の面には、冷却水の流路２３を有する。カソード側セパレータ３０は、カソードと対向する面に、カソードへ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガスのガス流路３２を有し、反対側の面には、冷却水の流路３３を有する。
【００２９】
隣接する単電池のアノード側セパレータ２０とカソード側セパレータ３０との間には、流路２３と３３とにより形成される１組の冷却水の流路が形成される。アノード側セパレータ２０には、冷却水の流路２３を囲むように溝が形成されており、ここにＯリング２５をはめ込むことにより、セパレータ２０と３０との間から冷却水が外部へ漏洩するのを防止する。図１においては、各単電池間に冷却水の流路が形成されているが、単セル２〜３個毎に冷却水の流路を配置してもよい。単セル間に冷却水の流路を形成しない場合は、一方の面に燃料ガスの流路を設け、他方の面に酸化剤ガスの流路を設けた、アノード側セパレータとカソード側セパレータとを兼ねる単一のセパレータを使用することも可能である。
【００３０】
また、セパレータの材質としては、金属製、カーボン製、黒鉛と樹脂を混合した材料などがあり、幅広く使用することができる。例えばカーボン粉末とバインダーとの混合物を射出成形して得られるセパレータや、チタンやステンレス鋼製セパレータの表面に金メッキを施したものなども使用することができる。
ここで、本実施形態の燃料電池１００においては、図１に示すように、ＭＥＡ１０がセパレータ２０、３０を介して燃料電池１００の接地面（図１中のＸで示される面）の法線方向に略垂直な方向に複数個積層されており、図１においてはＹ軸で示される上下方向が重力方向となる。
【００３１】
以下においては、燃料電池１００に搭載されるセパレータ（本発明のセパレータの一実施形態）について、アノード側セパレータ２０に代表させて、図面を参照しながらさらに詳しく説明する。なお、本実施形態においては、カソード側セパレータ３０はアノード側セパレータ２０と同じ構成を有する。
【００３２】
図２は、図１に示した燃料電池１００のアノード側セパレータ２０の要部拡大断面図である。すなわち、図２は、図１に示した燃料電池１００の部分Ｘの拡大図であり、アノード側セパレータ２０の要部を、接地面Ｘに略垂直な方向に沿って切断した場合の要部拡大断面図である。したがって、図２に示されているガス流路２２は、重力方向と交わる流路部分２２ａである。アノード側セパレータ２０の燃料ガス用のガス流路２２は、アノード側セパレータ２０の表面に開口するように設けた溝によって構成されている。この溝は、ガス拡散層３により覆われたとき、断面が略矩形の流路部分となる。
【００３３】
また、図３は、図１におけるアノード側のセパレータ２０のガス流路２２側からみた正面図である。図３に示すように、ガス流路２２は、ガスを略直進させる略直線状のメイン流路部である直線部２２ｐと、隣接する直線部２２ｐを接続するターン部２２ｑと、を具備するサーペンタイン形状を有し、矢印Ｐで示すようにガス流路２２中を燃料ガスが上流側から下流側へと流れる。そして、直線部２２ｐが上記の部分流路２２ａを含む。
なお、図３に示すアノード側セパレータ２０は、燃料ガス供給用マニホールド孔２０ｐ及び燃料ガス排出用マニホールド孔２０ｑを有し、さらに、酸化剤ガス供給用マニホールド孔３０ｐ、酸化剤ガス排出用マニホールド孔３０ｑ、冷却水供給用マニホールド孔３３ｐ及び冷却水排出用マニホールド孔３３ｑを有する。これらは、従来公知の方法によってガス流路または冷却水の流路と連通している。
【００３４】
本実施形態の燃料電池１００においては、アノード側セパレータ２０は、図２に示すように、アノードに接触する面に設けられた、重力方向と交わる部分流路２２ａを含むガス流路２２と、部分流路２２ａを隔てるリブ部（図示せず）と、を有し、リブ部はアノードに接触する第１の面２０ａを有する。また、部分流路２２ａは、部分流路２２ａの内壁面を構成する第２の面２０ｂを有する。また、一点鎖線Ｒで示される領域は、略矩形の形状を有するアノードに対応する領域である。
【００３５】
また、アノード側セパレータ２０は、第１の面２０ａに形成された親水処理部２００、第１の面２０ａの重力方向下側において第２の面２０ｂが第１の面２０ａに隣接する第１の部分２０ｃ1（すなわち、第２の面２０ｂのうちの、リブ部の重力方向下側に位置する角部を挟んで第１の面２０ａに接する部分）に形成された親水処理部２０１、及び第１の面２０ａの重力方向上側において第２の面２０ｂが第１の面２０ａに隣接する第２の部分２０ｃ2（すなわち、第２の面２０ｂのうちの、リブ部の重力方向上側に位置する角部を挟んで第１の面２０ａに接する部分）に形成された親水処理部２０２を備えている。
【００３６】
このような親水処理部２００、２０１及び２０２により、第１の面２０ａの親水性（Ａ1）が、第２の面２０ｂの親水性（Ｂ）よりも高く、かつ第１の面２０ａの重力方向下側において第２の面２０ｂが第１の面２０ａに連続して接する第１の部分２０ｃ1及び第１の面２０ａの重力方向上側において第２の面２０ｂが第１の面２０ａに連続して接する第２の部分２０ｃ2の親水性（Ａ2）が、第２の面２０ｂの親水性（Ｂ）よりも高く設定されている。
【００３７】
このような構成によって、まず、アノード側セパレータ２０主面の略法線方向（図中、矢印Ｓで示される方向）に、アノードのガス拡散層からガス流路２２に生成水が排出されるが、ガス拡散層は通常ある程度の撥水性を有するため、この排出された生成水は、ガス拡散層側には戻らない。そして、ガス流路２２の流路部分２２ａにおいて、第２の面２０ｂの親水性（Ｂ）よりも、親水処理部２０２が形成された第２の部分２０ｃ2の親水性（Ａ2）のほうが高いため、重力だけの作用を受ける場合に比べて、生成水は流路部分２０ａの重力方向の下方部分に向かって（つまり図中、矢印Ｔの方向に略平行な方向に向かって）より落ち易くなり、第２の部分ｃ2に生成水が優先的に移動して滞留し易くなる。このように第２の部分ｃ2に生成水が滞留することにより、アノード側セパレータ２０のガス流路２２側に接するガス拡散層に燃料ガスが流れ込みかつ隣接するガス流路２２（流路部分２２ａ）へとショートカットすることを抑制することができる。
【００３８】
また、ガス流路２２の流路部分２２ａにおいて、第２の面２０ｂの親水性（Ｂ）よりも、親水処理部２０１が形成された第１の部分２０ｃ1の親水性（Ａ2）のほうが高いため、第１の部分ｃ1にも生成水が移動して滞留し易くなる。このように第１の部分ｃ1に生成水が滞留することにより、アノード側セパレータ２０のガス流路２２側に接するガス拡散層に燃料ガスが流れ込んで、隣接するガス流路２２（流路部分２２ａ）へとショートカットすることを抑制することができる。
さらに上記に加えて、第１の面２０ａの親水性（Ａ1）も第２の面２０ｂの親水性（Ｂ）よりも高いため、第１の面２０ａの部分に水が滞留し易く、これにより反応ガスがリブ部を超えて隣接するガス流路に移動するショートカットをブロックすることができる。
【００３９】
そして、第２の部分ｃ2の親水性（Ａ2）が部分流路２２ａの内壁面を構成する第２の面２０ｂの親水性（Ｂ）よりも高いため、生成水は液膜となって拡がって流路部分２２ａの上側にはガスの流通可能な空間が確保され易くなり、したがって、生成水は、図中の流路部分２２ａの断面の略法線方向（紙面に略垂直な方向）に沿って流路部分２２ａ内をスムーズに流れて排出される。すなわち、ガス拡散層からの水の排出をスムーズに行なうことができるとともに、当該流路部分２２ａの少なくとも上側は閉塞することなく開き、フラッディングによるガス流路２２の閉塞を防止することができる。
【００４０】
このように、燃料電池１００においては、ガス拡散層からの水の排出がスムーズに行なわれる。また、生成水の有無にかかわりなく、ガス流路２２の他の部分で液滴となった余剰水も、この領域で液膜となって拡がり、ガス流路２２を閉塞することがなくなる。
【００４１】
なお、上記第１の面２０ａ、第２の面２０ｂ並びに第１の部分ｃ1及び第２の部分ｃ2の親水性の程度は、水に対する接触角を測定することにより確認することができる。親水処理部２０１、２０２及び２０３に対する水の接触角は、他の部分に対する水の接触角よりも小さくなっている。例えばアノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０がカーボンや樹脂で構成されている場合、これらに対する水の接触角は９０°〜１３０°であるが、後述する方法によって第１の面２０ａ並びに第１の部分ｃ1及び第２の部分ｃ2の親水性を、第２の面２０ｂの親水性よりも高く設定することができる。
【００４２】
燃料電池１００の設計条件、配置条件、運転条件等によって、第１の面２０ａ、第２の面２０ｂ並びに第１の部分ｃ1及び第２の部分ｃ2に対する水の接触角の最適値は一義的に規定することはできないが、第２の面２０ｂに対する水の接触角を概ね６０°〜１８０°にしておけば十分な効果が得られる。また、第１の面２０ａ並びに第１の部分ｃ1及び第２の部分ｃ2に対する水の接触角は概ね０°〜５０°であればよい。
なお、水の接触角は、例えば、協和界面化学（株）製のＦＡＣＥ  Ｘ−１５０などを用いて測定することができる。また、例えばウィルヘルミ法を用いて測定することもできる。
【００４３】
次に、本実施形態の燃料電池１００は製造方法について説明する。
本実施形態の燃料電池１００は従来公知の方法によって製造することができるが、例えば、触媒層２は、上記電極触媒と分散媒とを含む触媒層形成用インクを用いて、当該分野で公知の方法により形成することができる。さらに、ＭＥＡ１０も、上記のような高分子電解質膜１、触媒層２及びガス拡散層３から、当該分野で公知の技術によって作製することができる。
【００４４】
本実施形態におけるアノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０は、従来公知の方法によって作製することができるが、なかでも第１の面２０ａ並びに第１の部分ｃ1及び第２の部分ｃ2に親水処理を施して親水処理部２００、２０１及び２０２を設ける方法としては、先に述べた本発明の効果を得られる限りにおいては特に制限はないが、例えば（１）プラズマ処理、（２）酸化アルミなどの微粉末を吹き付けて表面粗さを制御するブラスト処理、（３）金などの金属を用いたメッキ処理又は蒸着処理によるコーティング、（４）酸化チタンなどの高い親水性を有する材料を塗布、固定化する処理、（５）紫外線処理、（６）親水性官能基の付与などを用いることができる。
【００４５】
これらの処理方法の種類はセパレータ板の材質によって使い分けることができる。例えば、プラズマ処理はカーボン製セパレータに好適に用いることができ、ブラスト処理は、カーボン製セパレータ及び金属製セパレータに好適に用いることができる。
プラズマ処理による方法においては、減圧下で行っても大気圧下で行ってもよい。また、ブラスト処理による方法では、ブラスト処理によりセパレータの表面の面粗度（Ｒａ）を変化させ、結果的に水の接触角を小さくする。用いるセパレータの材質などによっても変化するので一義的に規定することはできないが、カーボン製セパレータ板の場合、Ｒａを大きくすることによって水の接触角を小さくすることができる。
一方、また、オゾン雰囲気で紫外光を照射する紫外線照射処理であってもよい。
【００４６】
ここで、本実施形態におけるアノード側セパレータ２０の作製方法について説明する。
図４は、本実施形態のアノード側セパレータ２０の作製において親水処理を施す方法を説明するための図である。図４の（ａ）に示すように、まず、アノード側セパレータ２０のガス流路２２の流路部分２２ａ内に、マスクのためにガラス粉末３６を敷き詰め、その後、表面に酸素プラズマを供給して親水処理を施す。これにより、図４の（ｂ）に示すように、親水処理部２０３を形成することができる。当該親水処理部２０３は、図２における親水処理部２００、２０１及び２０２が一体化した構成を有している。
【００４７】
なお、上記プラズマ処理を行った後、図５の（ａ）に示すように、さらに流路部分２２ａに対応する開口部３８ａを有するマスク３８を用いて、第１の面（すなわち、アノード側セパレータがアノードと接する面）のみにプラズマ処理を追加的に施すことにより、上記第１の面の親水性をさらに向上させることができる（図５の（ｂ））。このように第１の面の親水性をより向上させることによって、滞留した水は親水性の最も強い領域に存在し易くなり、フラッディングをより確実に抑制することができる。
【００４８】
以上のように、本実施形態によれば、ガス流路における反応ガスのショートカット及びフラッディングをより確実に抑制し、反応ガスをＭＥＡ全体により確実に均一に供給することができ、安定した運転が可能な燃料電池を実現し得る燃料電池用セパレータを提供することができる。また、本発明によれば、反応ガスをＭＥＡ全体により確実に均一に供給することができ、安定した運転が容易かつ十分にできる燃料電池を提供することができる。
【００４９】
［第二実施形態］
次に、本発明の燃料電池の第二実施形態について説明する。この第二実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の燃料電池１００におけるアノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０を異なる構成に代えたものであり、これら以外の構成は第一実施形態の燃料電池１００と同様である。
以下、第二実施形態の燃料電池に備えられるセパレータ（本発明のセパレータ板の第二実施形態）を、アノード側セパレータに代表させて説明する。
【００５０】
図６は、第二実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータの要部拡大断面図である。すなわち、図６は、第二実施形態の燃料電池のセパレータのうちの要部を、図１に示す接地面Ｐに略垂直な方向に沿って切断した場合の要部拡大断面図である。図６に示すように、本実施形態のアノード側セパレータ２０は、上記第一実施形態のアノード側セパレータ２０において、第１の面２０ａの重力方向上側において第２の面２０ｂが第１の面２０ａに連続して接する第２の部分２０ｃ2に形成された親水処理部２０２が無いこと以外は、上記第一実施形態と同じである。
【００５１】
本実施形態のアノード側セパレータ２０は、第１の面２０ａに形成された親水処理部２００と、第１の面２０ａの重力方向下側において第２の面２０ｂが第１の面２０ａに連続して接する第１の部分２０ｃ1に形成された親水処理部２０１と、を備えている。このような親水処理部２００及び２０１により、第１の面２０ａの親水性（Ａ1）が、第２の面２０ｂの親水性（Ｂ）よりも高く、かつ第１の面２０ａの重力方向下側において第２の面２０ｂが第１の面２０ａに連続して接する第１の部分２０ｃ1の親水性（Ａ2）が、第２の面２０ｂの親水性（Ｂ）よりも高く設定されている。
【００５２】
このような構成によって、まず、アノード側セパレータ２０主面の略法線方向（図中、矢印Ｓで示される方向）に、アノードのガス拡散層からガス流路２２に生成水が排出されるが、ガス拡散層は通常ある程度の撥水性を有するため、この排出された生成水は、ガス拡散層側には戻らない。そして、ガス流路２２の流路部分２２ａにおいて、生成水は重力方向の下方部分に向かって（つまり図中、矢印Ｔの方向に略平行な方向に向かって）落ち、下方の親水処理部２００に移動して滞留し易くなる。このように生成水が親水処理部２００に滞留することにより、アノード側セパレータ２０のガス流路２２側に接するガス拡散層に燃料ガスが流れ込みかつ隣接するガス流路２２（流路部分２２ａ）へとショートカットすることを抑制することができる。
【００５３】
また、ガス流路２２の流路部分２２ａにおいて、第２の面２０ｂの親水性（Ｂ）よりも、親水処理部２０１が形成された第１の部分２０ｃ1の親水性（Ａ2）のほうが高いため、第１の部分ｃ1にも生成水が移動して滞留し易くなる。このように第１の部分ｃ1に生成水が滞留することにより、アノード側セパレータ２０のガス流路２２側に接するガス拡散層に燃料ガスが流れ込んで、隣接するガス流路２２（流路部分２２ａ）へとショートカットすることを抑制することができる。
【００５４】
このように、燃料電池１００においては、ガス拡散層からの水の排出がスムーズに行なわれる。また、生成水の有無にかかわりなく、ガス流路２２の他の部分で液滴となった余剰水も、この領域で液膜となって拡がり、ガス流路２２を閉塞することがなくなる。
【００５５】
ここで、本実施形態におけるアノード側セパレータ２０の作製方法について説明する。
図７は、本実施形態のアノード側セパレータ２０の作製において親水処理を施す方法を説明するための図である。図７の（ａ）に示すように、まず、アノード側セパレータ２０を供給されるプラズマの進行方向（図中の矢印αで示される方向）に対してアノード側セパレータ２０の主面を角度θだけ傾けた状態で、アノード側セパレータ２０のガス流路２２内に、マスクのためにガラス粉末を敷き詰め、その後、表面をに酸素プラズマを供給して親水処理を施す。これにより、図７の（ｂ）に示すように、親水処理部２０５を形成することができる。当該親水処理部２０５は、図６における親水処理部２００及び２０１が一体化した構成を有している。なお、上記角度θは、所望する親水処理部２０５の形状に応じて適宜選択すればよい。
【００５６】
以上のように、本実施形態によれば、ガス流路における反応ガスのショートカット及びフラッディングをより確実に抑制し、反応ガスをＭＥＡ全体により確実に均一に供給することができ、安定した運転が可能な燃料電池を実現し得る燃料電池用セパレータを提供することができる。また、本発明によれば、反応ガスをＭＥＡ全体により確実に均一に供給することができ、安定した運転が容易かつ十分にできる燃料電池を提供することができる。
【００５７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではない、例えば、上記実施形態においては、アノード側セパレータ２０の燃料ガス用のガス流路２２は、アノード側セパレータ２０の表面に開口するように設けた溝によって構成し、この溝がガス拡散層３により覆われたとき、断面が略矩形の流路部分となる場合について説明した。しかしながら、上記溝の断面は略矩形に限定されるものではなく、例えば半円状であっても構わない。
【００５８】
また、上記実施形態においては、親水性の高い部分と親水性の低い部分を形成する方法として、親水処理部を設ける方法についてのみ説明したが、上記とは反対に、ガス流路ののうちの所定の部分（例えば第２の面のみ）に撥水処理をすることによって、結果的に親水性の高い部分と親水性の低い部分とを設けることもできる。この場合、底面側以外の部分にポリエチレンテレフタレート（ＰＴＦＥ）やテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素樹脂のディスパージョンを塗布し、乾燥して撥水性を付与することができる。もちろん、上記のように親水処理を施すとともに、誌撥水処理を施してもよい。なお、撥水処理の方法は、これに限るものではない。
【００５９】
さらに、上記に加えて、ガス流路に面するガス拡散層側に撥水処理を行ってもよい。ガス拡散層は本来的にある程度の撥水性を有しているが、ガス流路２２に面するガス拡散層側に撥水処理を行うことで、本発明の効果をより確実に得ることができるようになる。
ガス拡散層に撥水処理を行う方法としては、ガス拡散層のガス流路に臨む部分において、少なくともガス流路２２の形状と同様の形状に撥水処理を施せばよいが、実質的な観点からはガス拡散層全体を撥水処理しておくのが好ましい。上記したカーボンペーパーやカーボンクロスなどの導電性多孔質基材を、ＰＴＦＥやＦＥＰを含むフッ素樹脂ディスパージョンに浸漬し、乾燥して分散媒などを除去することによって撥水処理を施すことができる。
【００６０】
また、上記第一実施形態においては、第１の面の重力方向下側において第２の面が第１の面に隣接する第１の部分及び第１の面の重力方向上側において第２の面が第１の面に隣接する第２の部分の両方の親水性（Ａ2）が、第２の面の親水性（Ｂ）よりも高い場合について説明し、上記第二実施形態においては、第１の面の重力方向下側において第２の面が第１の面に隣接する第１の部分及び第１の面の重力方向上側において第２の面が第１の面に隣接する第２の部分のうちの上記第１の部分の親水性（Ａ2）が、第２の面の親水性（Ｂ）よりも高い場合について説明したが、上記第１の部分及び上記第２の部分のうちの上記第２の部分の親水性のみが第２の面の親水性（Ｂ）よりも高く設定されていてもよい。
【００６１】
ただし、本発明の効果をより確実に得るという観点からは、上記第二実施形態において説明したように、少なくとも上記第１の部分及び上記第２の部分のうちの上記第１の部分の親水性（Ａ2）が第２の面の親水性よりも高く設定されていているのが好ましく、本発明の効果をさらに確実に得るという観点からは、上記第一実施形態において説明したように、上記第１の部分及び上記第２の部分の両方の親水性（Ａ2）が第２の面の親水性よりも高く設定されていているのが好ましい。
【００６２】
また、上記第一実施形態及び上記第二実施形態においては、上記第１の面の親水性（Ａ1）、上記第１の部分及び上記第２の部分の両方の親水性（Ａ2）、並びに上記第２の面の親水性（Ｂ）が、略均一であることを前提に説明したが、より確実に水をリブ部付近に滞留させてショートカットを抑制するという観点から、上記リブ部すなわち上記第１の面の中心の親水性が最も高くなるように設定されているのが好ましい。例えば、上記第１の面の親水性（Ａ1）が、重力方向における前記リブ部の中心から、前記ガス流路側にかけて低下するように傾斜（すなわち、重力方向における前記リブ部の中心から、重力方向における上側及び下側にかけて低下するように傾斜）して設定されており、上記第１の部分及び上記第２の部分の親水性（Ａ2）がさらに低く設定されているのが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明のセパレータを用いた燃料電池（特に高分子電解質形燃料電池）は、定置用燃料電池コジェネレーションシステムに好適に用いることができる。また、本発明のセパレータを用いた燃料電池は、自動車及びバイクなどの移動・輸送機械に搭載する原動力などへの適用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の燃料電池の第一実施形態の基本構成を示す概略断面図である。
【図２】図１に示した燃料電池１００のアノード側セパレータ２０の要部拡大断面図である。
【図３】図１におけるアノード側のセパレータ２０のガス流路２２側からみた正面図である。
【図４】第一実施形態のアノード側セパレータ２０の作製において親水処理を施す方法を説明するための図である。
【図５】第一実施形態のアノード側セパレータ２０の作製において親水処理を施す方法を説明するための別の図である。
【図６】第二実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータの要部拡大断面図である。
【図７】第二実施形態のアノード側セパレータ２０の作製において親水処理を施す方法を説明するための図である。
【図８】従来の高分子電解質型燃料電池の構成を示す概略断面図である。
【図９】図８におけるアノード側のセパレータ１２０のガス流路１２２側からみた正面図である。
【図１０】従来のセパレータの断面構造を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００６５】
１、１０１・・・高分子電解質膜、２、１０２・・・触媒層、３、１０３・・・ガス拡散層、４、１０４・・・電極、６、１０６・・・ガスシール材、２０、１２０・・・アノード側セパレータ、２０ａ・・・第１の面、２０ｂ・・・第２の面、２０ｃ1・・・第１の部分、２０ｃ2・・・第２の部分、２２、３２、１２２、１３２・・・ガス流路、２２ａ・・・流路部分、２２ｐ、１２２ｐ・・・直線部、２２ｑ、１２２ｑ・・・ターン部、２４、２５、１２４、１２５・・・Ｏリング、３０、１３０・・・カソード側セパレータ、３３、１３３・・・冷却水の流路、２０ｐ、１２０ｐ・・・燃料ガス供給用マニホールド孔、２０ｑ、１２０ｑ・・・燃料ガス排出用マニホールド孔、３０ｐ、１３０ｐ・・・酸化剤ガス供給用マニホールド孔、３０ｑ、１２０ｑ・・・酸化剤ガス排出用マニホールド孔、３３ｐ、１３３ｐ・・・冷却水供給用マニホールド孔、３３ｑ、１２３ｑ・・・冷却水排出用マニホールド孔、３６・・・ガラス粉末、２００、２０１、２０２、２０３、２０４、２０５・・・親水処理部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2007258008.tif 000010
【図９】
2007258008.tif 000011
【図１０】
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